10 Minutės
Kažkas neįprasto pasiekė jutiklius Viduržemio jūros dugne: neutrinas toks energingas, kad priverstų fiziką klausti, ar nedidelė, labai sena juodoji skylė ką tik sprogo. Trumpas atsakymas: galbūt. Ilgesnis atsakymas yra ne toks aiškus, įdomesnis ir yra tas mistinis galvosūkis, dėl kurio mokslininkai naktimis negali ramiai miegoti.
2023 m. stebėjimų stotis KM3NeT užregistravo neįprastai stiprią dalelę, pažymėtą kaip KM3-230213A. Šis neutrinas nešėsi energiją petaelektronvoltų (PeV) diapazone — tai keliais užsakais daugiau nei nuolatinis mažos energijos Saulės neutrininis srautas ir viršija žmogaus sukurtų greitintuvų galimybes. Viena vaiduokliška dalelė, keliaujanti praktiškai neblokuojamai per kosmines distancijas, gali būti egzotiško astrofizinio įvykio pirštų atspaudas.
Ką pamatėme ir kodėl tai svarbu
Neutrinai yra garsiai drovūs. Jie praeina pro materiją taip lengvai, kad jų sugauti reikia įrenginių, kurių dydis prilygsta jūroms arba ledynams. KM3NeT, įrengtas po Viduržemio jūra, yra sukalibruotas fiksuoti silpnus žybsnius, susidarančius tuomet, kai neutrinas pagaliau sąveikauja su medžiaga. KM3-230213A buvo išskirtinis ne tik dėl energijos, bet ir dėl klausimų, kuriuos sukėlė: koks astrofizinis variklis gali akseleruoti — arba pagaminti — neutriną 100+ PeV energijai?
Fizikai turi trumpą pažįstamų įtariamųjų sąrašą: gama spindulių protrūkiai (GRB), aktyvūs galaktikų branduoliai (AGN), susidūrusios juodosios skylės ir pulsiarų sukeltos išlydos. Nei vienas iš šių šaltinių pilnai nepaaiškina KM3-230213A savybių. Todėl teorinės fizikos grupė kreipėsi į mažiau tradicinį kandidatą — primordines juodąsias skyles (PJS) — ir pasiūlė mechanizmą, kuris remiasi Hokingo spinduliavimu bei subtiliu kvantiniu papildymu.
Šis atradimas yra svarbus ne tik kaip izoliuotas įvykis: tokio lygio neutrinas yra tiesioginis įrankis astrofizikos ir kosmologijos tyrimui. Neutrino kryptis, energija ir laiko charakteristikos leidžia susiaurinti galimų šaltinių rinkinį, o jei kelios nepriklausomos observatorijos užfiksuotų panašių įvykių, tai leistų pradėti rimtas statistines analizes ir susieti neutrino gamybą su kitomis žiniasklaidų priemonėmis — gama, rentgeno ar optiniais teleskopais. Tokios daugialypės stebėjimų kampanijos vadinamos multi-messenger astronomija.
Primordinės juodosios skylės, Hokingo spinduliavimas ir galutinis sprogimas
Primordinės juodosios skylės yra hipotetinės formacijos. Skirtingai nuo žvaigždžių liekanų susidarančių juodųjų skylių, PJS galėjo kondensuotis iš ekstremalių tankio svyravimų ankstyvajame Visatoje, akimirkomis po Didžiojo sprogimo. Jos būtų labai mažos lyginant su žvaigždžių liekanomis — galbūt mikroskopiškai mažos kasdieniais terminais — bet vis tiek neįsivaizduojamai tankios.
Stephen Hawking parodė, kad juodosios skylės nėra visiškai juodos: kvantiniai efektai leidžia joms skleisti daleles — tai vadinama Hokingo spinduliavimu. Masėms didelėms juodosioms skylėms šis spinduliavimas praktiškai nepastebimas; labai mažoms juodosioms skylėms jis gali būti intensyvus. Kai PJS netenka masės per spinduliavimą, jos temperatūra kyla ir emisija didėja, galiausiai įeinant į bevaldymo (runaway) fazę, kuri baigiasi greita ir energinga išgarinimo (evaporacijos) banga. Toks galutinis sprogimas teoriškai gali išmesti labai aukštos energijos daleles, įskaitant PeV lygio neutrinas.
Naujasis darbas, paskelbtas žurnale Physical Review Letters, siūlo, kad kai kurios PJS gali turėti papildomą savybę — vadinamąją tamsiąją krūvę (dark charge). Toks tamsiosios srities parametras gali užkirsti kelią paprastam evakuacijos procesui taip, kaip vyksta neutralioms PJS. Šios kvazi-ekstremalios PJS užsibūna metastabilioje būsenoje ir tik retkarčiais sprogsta galutiniu, smarkiu žybsniu. Per tokį žybsnį įprastos dalelės bei hipotezinės sunkios rūšys gali būti gausiai pagamintos, įskaitant PeV energijos neutrinus.
Mechanizmo detalės apima energijos paskirstymą (burst spectrum), dalelių gamybos kanalus ir galimus junginius su tamsiosios materijos modeliais. Jei PJS skleidžia ne tik standartiškai sąveikaujančias daleles, bet ir tamsiosios srities egzotikas (pvz., sunkios stabilios arba nestabilios partiklės), tai reiškia papildomus signalo komponentus, kuriuos galima ieškoti netiesioginiais ženklais: antrinėmis dalelėmis, gama spinduliais arba net netiesioginiais gravitaciniais pėdsakais. Giliai supratus emisijos spektrą, stebėtojai galėtų įgyti daugiau įrankių atpažinti PJS siejamus įvykius nuo įprastų astrofizinių protrūkių.
Kodėl KM3NeT jį užfiksavo, o IceCube — ne
Duomenyse slypi paslaptis: IceCube, ilgametė neutrininė matuoklė Pietų ašigalyje, stebi dangų daugiau nei dvi dešimtis metų ir užregistravo kelis multi-PeV įvykius, bet ji neužfiksavo nieko panašaus į KM3-230213A. Dalis šio skirtumo kyla iš instrumentinės jautrumo įvairovės ir energijos langų. IceCube ir KM3NeT yra optimizuoti skirtingais būdais; IceCube praktinis jautrumas mažėja aukštesnėse energijose. Jei PJS sprogimai yra reti ir kryptingi, ir jeigu jie linkę gaminti energijas, kuriose Viduržemio jūros sensoriai elgiasi geriau, KM3NeT gali užfiksuoti tai, ką IceCube praleidžia.
Techninės priežastys apima fotomultiplikatoriaus tankį, modulų išdėstymą, foninių signalų atskyrimo apskaičiavimus ir geometrijinį matomumo kampą. KM3NeT turi tam tikrų pranašumų stebint tam tikras energijų juostas ir kryptis po Viduržemio jūra, ypač kai kalbama apie horizontalius arba žemiau horizonto einančius signalus iš pietinės pusrutulio ribų. IceCube, esantis Antarktidoje, turi didelį bendrą tūrį ir ilgametę istoriją, tačiau detali jautrumo funkcija skiriasi ir gali lemti, kad labai specifiniai signalo profiliai pasireiškia tik kai kuriems detektoriams.
Modeliuotojai, pasiūlę kvazi-ekstremalių PJS populiacijos idėją, teigia, kad ribotas tamsiosios krūvės turinčių PJS skaičius, kurie kartkartėmis patenka į galutinio sprogimo fazę, gali pagaminti kelis pastebėtus PeV lygio neutrinius įvykius, nepažeisdami kitų astrofizinių apribojimų (pvz., difuzinės gama spindulių fono ar kosminės spinduliuotės ribų). Pagal jų vaizdą, tokios PJS nespindi nuolat — jos pliūpteli retai, bet dramatiškai, išskirdamos dalelių kaskadą per paskutinę sekundę, kuri trumpam apšviečia tik tas observatorijas, sukonfigūruotas konkrečiai energijai ir kampui.
Pasekmės ir alternatyvūs paaiškinimai
Jeigu PJS evakuacija yra atsakinga už šį signalą, pasekmės būtų gilios. Turėtume tiesioginį stebėjimo įrodymą juodųjų skylių, susiformavusių ankstyvajame Visatoje, naują kanalą aukštos energijos dalelių gamybai ir empirinius duomenis apie Hokingo spinduliavimą. Tai taip pat galėtų nurodyti į fiziką už Standartinio modelio ribų — tamsiosios srities daleles, sunkias įkrautas būsenas ar kitus egzotinius egzempliorius, išmestus per žybsnį.
Vis dėlto nepaprasti teiginiai reikalauja kruopščių tarpinių patikrinimų. Kitokie paaiškinimai lieka gyvybingi: pereinamieji astrofiziniai šaltiniai, kurių mes dar nesuprantame, statistinės anomalijos arba nauja dalelių fizika aktyviuose galaktikų branduoliuose. Gama spindulių ar platesnio elektromagnetinio signalo nebuvimas apsunkina situaciją. PJS žybsnis galėtų pagaminti daug dalelių, kurios niekada nesąveikauja elektromagnetiškai, o įprasti šaltiniai dažnai apšvies daugelį bangų ruožų.
Be to, reikėtų palyginti įvykio trukmę, koreliaciją su kitais stebėjimais ir energetinę spektrą. Pavyzdžiui, ilgalaikiai radiodengiamumo ar infraraudonųjų bandų stebėjimai gali atskleisti silpnus pošviesius ar kilpas, kurių mastas ir trukmė padėtų atskirti tarp PJS sprogimo ir kitų transientų scenarijų. Statistinė analizė daugeliu atvejų gali atmesti paprastą atsitiktinumą (fluke) ar instrumentinį triukšmą, tačiau tam reikia daugiau įvykių ir tarpdisciplininių duomenų.
Galiausiai, yra ir teoriniai apribojimai: PJS, kurios sprogsta dabar, turi atitikti ankstyvos Visatos sąlygų modelius, Kosminio mikrofonu fono (CMB) ir didelio masto struktūros stebėjimus. Bet jei egzistuoja tam tikra PJS klasė, kuri geba išsilaikyti iki dabar ir retkarčiais sproginėja, tai atveria naują dėmesio centrą tiek teorinei, tiek stebimosios astrofizikos bendruomenei.
Stebėjimo strategija ir ateities perspektyvos
PBH hipotezę patikrinti reikės koordinuotų stebėjimų. KM3NeT, IceCube ir kitų naujos kartos detektorių tęsiama veikla ir atnaujinimai išplės energijos aprėptį ir pagerins lokalizacijos tikslumą. Ypač svarbu bus mažinti foninius signalus, tobulinti laiko sinchronizaciją tarp observatorijų ir toliau modeliuoti specifinius signalo profilius, kurių reikia ieškoti.
Multi-messenger kampanijos, kuriose neutrininiai įspėjimai susiejami su gama spindulių, rentgeno ir optinėmis priemonėmis, gali greitai patvirtinti ar atmesti įprastus transientus. Reikšminga dalis to yra automatizuotos reakcijos: jeigu neutrinas viršija tam tikrą energijos slenkstį, observatorijų tinklas automatiškai nukreipia pažangius teleskopus į tą sritį ir renka papildomus duomenis per kelias minutes ar valandas po signalo.
Teorinės pastangos taip pat turi patikslinti sprogimo spektrą iš kvazi-ekstremalių PJS, kad stebėtojai žinotų, ko tikėtis. Tai apima Monte Carlo modeliavimo darbo krūvį, dalelių fizikos kanalų įvertinimą ir kosmologinių apribojimų integraciją į visuminį modelį. Be to, reikalingos detalių studijos apie galimas antrines emisijas, kurios galėtų palikti netiesioginius žymenis, pvz., specifinį gama spindulių arba aukštos energijos kosminių spindulių spektrą.
Ateities detektoriai, tokie kaip IceCube-Gen2, KM3NeT plėtra, Baikal-GVD ir kiti didelio tūrio neutrininiai observatoriai, gerokai padidins priimamų signalų skaičių ir sumažins neapibrėžtį dėl jautrumo. Kartu su pažangiomis analizės metodikomis — mašininio mokymosi klasifikatoriais, laiko serijų detekcijos algoritmais ir geresniais foninių procesų modeliais — tikimybė užfiksuoti naujas PeV klasės įvykių serijas gerokai išaugs.
Eksperto įžvalga
"Vienas PeV neutrinas yra pėdsakas, o ne žemėlapis," sako dr. Lina Ortega, astrofizikė iš Institute for Cosmic Studies. "Bet tas pėdsakas rodo į kažką įdomaus. Jei primordinės juodosios skylės dalyvauja, mes matome fiziką, kuri sujungia Visatos ankstyviausias akimirkas su dalelių procesais, kuriuos galime išbandyti šiandien. Tai perrašytų keletą kosmologijos skyrių — ir todėl mes nuolat nagrinėjame šį klausimą."
Patikrinimui reikės kantrybės ir daugiau įvykių. Retais atvejais pasitaikančios aukštos energijos fenomenai reikalauja stebėjimo laiko, matuojamo metais — o kartais net dešimtmečiais. Vis dėlto kiekvienas naujas detektorius ir kiekvienas klausos jautrumo pagerinimas didina galimybes užfiksuoti kitą žybsnį.
Ar KM3-230213A yra signalas iš mirštančios primordinės juodosios skylės, naujas astrofizinis variklis, ar dar kas nors netikėto — tai rodo, kaip viena dalelė gali sukelti idėjų grandinę. Paieška kito PeV neutrino vyksta, o kartu atsiveria galimybė pažvelgti į fiziką iš Visatos ankstyviausių akimirkų.
Techniniai komentarai: tolimesni tyrimai turėtų susitelkti į krypčių susiejimą, lokalizacijos klaidų sumažinimą ir signalo spektrų statistinį palyginimą su PJS modeliais. Taip pat būtina išplėsti ryšius tarp neutrino observatorijų ir elektromagnetinių stebėtojų, įtraukiant greito reagavimo tinklus (angl. follow-up networks), kad būtų galima užfiksuoti bet kokias trumpalaikes elektromagnetines emisijas, kurios galėtų pasirodyti tik akimirksniu po neutrino įvykio.
Praktiniai patarimai stebėtojams: 1) išlaikyti žemą energijos detekcijos slenkstį ir platų energijos dinaminį diapazoną; 2) tobulinti laiko sinchronizaciją tarp detektorių, kad būtų galima atlikti tikslesnę daugiaprograminę koreliaciją; 3) kurti specialias paieškos šablonų bibliotekas, atspindinčias PJS žybsnio spektrų galimybes; ir 4) skatinti duomenų atvirumą bei greitą įspėjimų dalijimąsi tarp observatorijų, siekiant maksimalios multi-messenger aprėpties.
Galiausiai, mokslinis procesas čia yra aiškus: hipotezė sukelia naujus stebėjimus, stebėjimai grąžina duomenis, o duomenys formuoja naujas arba patikslintas teorijas. KM3-230213A yra vienas toks duomenų taškas — potencialus langas į ankstyvąją Visatą arba į naujus astrofizinius mechanizmus. Tolimesnės stebėjimo kampanijos, geresnės detektorių charakteristikos ir tikslūs teoriniai modeliai leis sužinoti, ar tai buvo tik atsitiktinumas, ar pradžia naujos pažinimo krypties.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą